路基填料凍脹性試驗研究

王博，董喧

（1.天津泰達海洋開發有限公司，天津 300171；2.中交天津航道局有限公司，天津 300461）

0 引言

穿越東北三省的某高速鐵路，設計最高時速350 km/h以上，對路基的差異沉降、工后沉降要求嚴格。鐵路沿線自然條件惡劣，極端最高氣溫39.8℃，極端最低氣溫-40℃以下，屬于季節性凍土區域。路基冬季易發生凍脹，夏季逐漸融化后，路基中間由于融化較慢形成硬核，會發生翻漿、冒泥現象，造成路基的變形、開裂[1-3]。在這樣的路基上建造如此高規格的高速鐵路國內尚屬首次，難度非常大。采取合理的路基防凍脹措施是關鍵，直接關系到將來運營線路安全以及維護成本高低，而實施的前提是了解路基填料的凍脹特性[4-5]。

本文針對路基填料特點，在室內開展凍脹性試驗研究，分析路基填料的凍融強度損失和凍脹量，找出影響因素，為采用有效防凍脹措施提供依據。

1 工程概況

該高速鐵路路基共約53 km，沿線屬于溫帶亞濕潤季風區氣候，最大積雪厚度17～30 cm。地層依次為第四系全新統沖積黏質黃土、中砂、粗砂和白堊系下統泥巖。地下水位1～20m，局部可達30m。

高速鐵路建設采用無砟軌道，基床表層是級配碎石，下部為A、B填料，基床填筑斷面見圖1。

圖1 基床填筑斷面圖Fig.1 Cross-section of foundation bed filling

2 室內凍脹試驗

室內路基填料抗凍性試驗主要包括兩部分內容，一是A、B填料的凍融強度損失，二是凍脹敏感性（凍脹量）。對于凍融強度試驗，在專門的凍融箱內進行冰凍，溫度波動度＜±2℃。選用加利福尼亞承載比CBR值表征凍融強度（取CBR2.5和CBR5.0的平均值作為代表值CBR）。對于凍脹量試驗，在恒溫箱內試驗，環境溫度變幅＜±0.1℃，采用φ150mm土樣筒進行試驗。

2.1 試驗用料性質

試驗用基本土料為A、B填料，取自現場，將其過31.5mm篩作為進行凍融試驗和凍脹量試驗的基本材料。顆粒分析結果見表1，按照TZ 212—2005《客運專線鐵路路基工程施工技術指南》和TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗規程》定名為角礫，或進一步定名為細（角）礫或中（角）礫。

表1 填料顆粒組成Table 1 Filling particle composition

A、B填料的細粒塑性指數為13～14，屬于粉質黏土。

為了進一步研究填料凍脹特性，將粉土、粉質黏土分別按一定比例摻入基本土料中，最終形成供凍融試驗和凍脹量試驗用的試驗土料，再進行重型擊實試驗。試驗結果見表2。最大干密度和最佳含水率僅在很窄的范圍內波動[6]。

表2 試驗土料重型擊實試驗結果Table2 Soilheavy compaction test result

2.2 凍融強度損失試驗

采用分層裝填壓實法制樣，試驗土樣壓實度93%。試驗溫度為-20℃，5次循環，每個循環時間為冷凍16 h，20℃室溫融化8 h。

1）含水率的影響

摻入粉土試樣凍融后的CBR值與含水率的關系見圖2。可以看出，CBR均隨含水率增大而減小，凍后CBR比凍前CBR均有不同程度的衰減。凍前、凍后CBR值均隨細粒摻量的增大而減小，試樣強度降低，其原因是摻入的少量細粒土較明顯地降低了粒間摩擦，而對于像試樣這樣的松散粗粒混合材料，粒間摩擦是強度的主要來源[7-8]。

圖2 試料CBR-w關系Fig.2 Relation of CBR-w of specimen

2）細粒土的影響

摻入粉土、粉質黏土不同土質試樣凍融后的CBR值與含水率的關系見圖3。由圖可看出摻配粉質黏土的試樣CBR比摻配粉土的大。

圖3 細粒土質條件對凍后CBR的影響Fig.3 effect of fine particle on the CBR after freezing

3）冰凍溫度影響

對1號試驗土料，在-10℃和-30℃冰凍溫度條件，5次凍融循環時分別進行試驗。CBR與含水率關系見圖4，可以看出，不同的冰凍溫度對強度的影響不大。

圖4 冰凍溫度對強度影響Fig.4 effect of freezing temperature on the strength

4）循環次數影響

冰凍溫度為-20℃，含水率w=8%，循環數分別為1、3、7、9條件下進行試驗。凍前凍后CBR-N關系曲線，如圖5所示。可以看出隨循環次數N增加，凍后CBR值有些減少，但并不大。

圖5 凍融循環數對CBR值影響Fig.5 effect of the cycle of freeze-thaw on CBR

根據以上試驗，考慮到：①凍后CBR隨N增加而減少幅度不大，還是在高位上；②經濟因素；③老式慢法低標號混凝土采用N=25，但冰凍時間為4 h，而本試驗為16 h，換算一下與5循環接近；④試驗材料為一種典型松散材料，沒有無機結合料（水泥或其他活性成分）。因此，采用5循環凍融試驗結果表征凍融性能是經濟可靠的。

2.3 凍脹量試驗

采用上冷閉式凍脹試驗（無外水分補給）研究表2中材料的凍脹量，壓樣法制備樣品。

圖6為凍脹率與含水率關系曲線，可以看出，當含水率增加到一定值時（大約是在最優含水率以后），凍脹率均有加速增大的趨勢，試驗最大值可達η=3～4。由此可知，即使是粗顆粒土，當其含水率達到一定值時，亦會產生相當可觀的凍脹量。

而且圖6還可以看出，隨細粒含量增加，曲線沿橫軸（w）向右偏移。這說明，材料的起始凍脹含水率在增加。

圖6 η-w關系曲線Fig.6 Relation curve of η-w

圖7為不同土質的η-w曲線，1號土樣摻入粉土，4號土樣摻入粉質黏土。可以看出，隨著摻配土質塑性增強，曲線沿橫軸向右偏移。說明摻配塑性較大細粒土的樣品親水性強，在臨界含水率范圍以內，含水率相同時凍脹量小。

圖7 細粒土質條件影響Fig.7 effect on the fine particle soil condition

統計試驗結果，各個試樣起始凍脹含水率見表3。表中同時給出了η=1（臨界含水率）和η=3.5（凍脹界限含水率）時相對應的界限含水率值，表3可為凍脹分級應用做參考。

表3 不同凍脹等級的界限含水率wTable 3 Water ratio limit of different frost heaving levels

5種土料η－w關系雖有些差異但并不顯著，可綜合起來進行統計，得到起始凍脹含水率為8.41%；臨界凍脹含水率為10.32%；相應凍脹等級含水率為15.09%。

3 現場填料含水率檢驗

室內試驗說明填料含水率是影響凍脹的主要因素。根據測溫裝置測得試驗段的凍土深度約為1.66m，該深度為發生凍脹的區域[9]，路基填料根據室內試驗結果進行了嚴格控制，現場采取了鋪設隔水層、設置排水通道等措施。隔水層采用的是復合土工膜。

經歷凍融循環后，路基未有明顯的凍脹發生。同時，在隔水層下方取樣進行含水率試驗，結果見表4。可以看出，經歷凍融循環周期后，填料的含水率變化較小，在起始凍脹含水率范圍之內，說明路基防排水效果良好。

表4 路基填料物理性質Table4 Physical property of subgrade filling

4 結語

1）含水率是影響凍脹性的主導因素，路基設計施工應做好防水排水措施，阻斷地表水和地下水的滲透，保證路基填料的抗凍性；

2）含水率、細粒土摻量及塑性是影響凍脹性的主要因素，而冰凍溫度、凍融循環次數對于填料凍脹性影響較小；

3）即使是粗顆粒土，當其含水率達到一定值時，也會產生相當可觀的凍脹量。

[1] 徐學祖，王家澄，張立新.凍土物理學[M].北京：科學出版社，2001.XU Xue-zu，WANG Jia-cheng，ZHANG Li-xin.Frozen soil physics[M].Beijing：Science Press，2001.

[2] 孟凡松，劉建平，劉永智.黑北公路凍土路基設計原則及病害特征[J].冰川凍土，2001，23（3）：307-311.MENG Fan-song，LIU Jian-ping，LIU Yong-zhi.Design principles and frost damage characteristics of frozen soil roadbed along the Heihe-Bei’an Highway[J].Journal of Glaciology and Geocryology，2001，23（3）：307-311.

[3] 張喜發.季凍區公路路基凍害鉆探調查與現場觀測和室內試驗綜合研究[R].長春：吉林大學，2007.ZHANG Xi-fa.Investigation and field observation on freeway subgrade frost damage and drilling in seasonally frozen ground and comprehensive research on indoor test[R].Changchun：Jilin University，2007.

[4] 冷毅飛，張喜發，張冬青.季節凍土區公路路基細粒土凍脹敏感性研究[J].冰川凍土，2006，28（2）：211-216.LENG Yi-fei，ZHANG Xi-fa，ZHANG Dong-qing.Study of frost heaving susceptibility of fine-grain soil of highway subgrade in seasonally[J].Journal of Glaciology and Geocryology，2006，28（2）：211-216.

[5] 張以晨，李欣，張喜發，等.季凍區公路路基粗粒土的凍脹敏感性及分類研究[J].巖土工程學報，2007，29（10）：1522-1526.ZHANG Yi-chen，LIXin，ZHANG Xi-fa，etal.Research on frost heave susceptibility and classification of coarse grained soil of highway subgrade in seasonally frozen ground region[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2007，29（10）：1522-1526.

[6] 劉永智，吳青柏，張建明，等.青藏高原多年凍土地區公路路基變形[J].冰川凍土，2002，24（1）：10-15.LIU Yong-zhi，WU Qing-bai，ZHANG Jian-ming，et al.Deformation of highway roadbed in permafrost regions of the Tibetan Plateau[J].Journal of Glaciology and Geocryology，2002，24（1）：10-15.

[7] 吳紫汪，馬巍.凍土強度與蠕變[M].蘭州：蘭州大學出版社，1994.WU Zi-wang，MA Wei.Strength and creep of frozen soil[M].Lanzhou：Lanzhou University Press，1994.

[8] 竇紅波.淺談季節性凍土路基隔離層的設置[J].四川建筑，2006，26（3）：61-62.DOU Hong-bo.Talking about the setting of seasonally frozen soil roadbed[J].Sichuan Architecture，2006，26（3）：61-62.

[9] 司劍鋒.季節性凍土地區保溫護道的設置原則[J].鐵道標準設計，2008（2）：26-28.SI Jian-feng.Setting principle of thermal insulation berm in seasonal frozen ground[J].Railway Standard Design，2008（2）：26-28.